第五节溢流重力坝

第五节溢流重力坝第一页，共十九页，编辑于2023年，星期四溢流重力坝既能挡水又能通过坝顶溢流,又是泄水建筑物,它主要承担泄洪保坝、输水供水、排沙、放空水库、施工导流等任务。溢流坝除具有非溢流坝相同的工作条件外，同时又要满足泄洪要求，因此，坝体设计除要满足稳定和强度要求外，还要满足下列要求：1、要有足够的泄水能力（孔口尺寸、孔口体形、流量系数）2、除了满足强度稳定条件外，还要满足泄洪要求（要尽量减小高速水流带来的问题：负压、振动；下游流态平瞬，减小局部冲刷；控制水流设备）溢流重力坝的工作特点第二页，共十九页，编辑于2023年，星期四

1.有足够的孔口尺寸、良好的孔口体形和泄水时具有较高的流量系数。2.使水流平顺地流过坝体，不产生不利的负压和振动，避免发生空蚀现象。3.保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷4.溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。5.有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。

设计要求：第三页，共十九页，编辑于2023年，星期四

溢流重力坝既能挡水又能通过坝顶溢流。因此，坝体设计除要稳定和强度计算与非溢流坝相同外，还涉及到泄流的孔口尺寸、溢流堰形态以及消能方式等的合理选定。一溢流坝的剖面溢流坝的基本剖面呈三角形。其实用断面是将三角形上部和坝体下游斜面做成溢流面，且溢流面外形应具有较大的流量系数，使泄流顺畅，坝面不发生空蚀。第四页，共十九页，编辑于2023年，星期四溢流坝由顶部溢流面曲线段、中间直线段和下部反弧段组成。1-顶部溢流段；2-直线段；3-反弧段；4-基本剖面5-薄壁堰；6-薄壁堰溢流水舌溢流坝的堰面曲线

1.顶部曲线段(1)为控制流量的关键部位。(2)规范规定：溢流坝段的堰面曲线，当采用开敞式溢流孔时可采用幂曲线；当设有胸墙时，可采用孔口泄流的抛物线。。溢流坝顶曲线的形状对泄流能力及流态影响很大。当采用坝顶溢流孔口时，其坝顶溢流面曲线常采用非真空剖面曲线。采用较广泛的非真空剖面曲线有克-奥曲线和幂曲线(或称WES曲线)两种。第五页，共十九页，编辑于2023年，星期四设有胸墙的溢流面曲线上述两种堰面曲线是根据定型设计水头确定的．当宣泄校核洪水时，堰面出现负压值应不超过3—6m水柱高。第六页，共十九页，编辑于2023年，星期四

3.中间直线段

中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝的下游坝坡相同。4、溢流坝下游反弧段下部反弧段是使沿溢流坝面下泄的高速水流平顺地转向的工程设施，要求沿程压力分布均匀，不产生负压和不致引起有害的脉动压力。通常采用圆弧曲线，其反弧段半径应视下游消能设施而定。第七页，共十九页，编辑于2023年，星期四二、孔口尺寸的拟定

溢流坝孔口尺寸拟定包括过水前缘总宽度，堰顶高程，孔口数目、尺寸等其中孔口拟定和布置涉及因素许多如：洪水设计标准、下游防洪要求、库水位雍高有无限制、是否利用洪水预报、过水方式以及枢纽地形、地质条件等。1.下泄流量的确定溢流孔口尺寸主要取决于通过溢流孔口的下泄洪水流量Q，根据设计和校核情况下的洪水来量,经调洪演算确定下泄洪水流量Q，再减去泄水孔和其它建筑物下泄流量之和QoQ=Qs-aQo第八页，共十九页，编辑于2023年，星期四2、单宽流量的确定

单宽流量的大小是溢流重力坝设计中一个很重要的控制性指标。单宽流量一经选定,就可以初步确定溢流坝段的净宽和堰顶高程。单宽流量愈大,下泄水流的动能愈集中,消能问题就愈突出,下游局部冲刷会愈严重,但溢流前缘短，对枢纽布置有利。因此,一个经济而又安全的单宽流量，必须综合地质条件、下游河道水深、枢纽布置和消能工设计多种因素,通过技术经济比较后选定。工程实证明对于软弱岩石常取q=20～50m3/(s·m)；中等坚硬的岩石取q=50～100m3/(s·m)；特别坚硬的岩石q=100～150m3/(s·m)；地质条件好、堰面铺铸石防冲、下游尾水较深和消能效果好的工程,可以选取更大的单宽流量。近年来，随着消能技术的进步,选用的单宽流量也不断增大。在我国已建成的大坝中，龚嘴的单宽流量达254.2m3/(s·m),目前正在建设中的安康水电站单宽流量达282.7m3/(s·m)。而委内瑞拉的古里坝其单宽流量已突破了300m3/(s·m)的界限。第九页，共十九页，编辑于2023年，星期四(1)单宽流量q确定以后,溢流前缘总宽度LL=Q溢/q（m）

装有闸门的溢流坝,用闸墩将溢流段分隔为若干个等宽的孔。设孔口总数为n，孔口宽度b=L/n，d为闸墩厚度，则溢流前缘总宽度L0为:L0=n×b+（n-1）d（m）

3、溢流坝段的总长度第十页，共十九页，编辑于2023年，星期四三、溢流坝的结构布置(一)闸门和启闭机工作闸门

事故闸门检修闸门1.闸门平面闸门弧形闸门平面闸门

浮箱闸门叠梁2.启闭机活动式：门机固定式：卷扬式启闭机

(二)闸墩、工作桥和交通桥

闸墩用来分孔，承受闸门传来的水压力，支承工作桥和交通桥第十一页，共十九页，编辑于2023年，星期四

2.闸墩厚度

闸墩厚度与闸门形式有关。采用平面闸门时需设闸门槽，工作闸门槽深0·5～2·om，宽1～4m，门槽处的闸墩厚度不得小于1～1．5m，以保证有足够的强度。弧形闸门闸墩的最小厚度为1．5～2．0m。如果是缝墩，墩厚要增加o．5～1．0m。由于闸墩较薄，需要配置受力钢筋和温度钢筋。

3.闸墩的长度和高度

闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。

4.边墩和导墙

溢流坝两侧设边墩也称边墙，一方面起闸墩的作用，同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用。第十二页，共十九页，编辑于2023年，星期四四、溢流坝的下游消能措施通过溢流坝下泄的水流具有很大的动能,常高达几百万甚至3000万kW，如此巨大的能量,若不妥善进行处理,势必导致下游河床被严重冲刷,甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。1.消能工的设计原则(1)尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中,以及水流与空气的摩擦上;(2)不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷;(3)下泄水流平稳,不影响枢纽中其他建筑物的正常运行;(4)结构简单,工作可靠;(5)工程量小，造价低。第十三页，共十九页，编辑于2023年，星期四

消能方式

底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。

2.底流消能底流消能是在坝下设置消力池，消力坎或综合式消力池和其它辅助消能设施,促使下泄水流在限定的范围内产生水跃。主要通过水流内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击达到消能的目的,以减轻对下游河床的冲刷。底流消能工作可靠，但工程量较大，多用于低水头、大流量的溢流重力坝。3、挑流消能

挑流消能原理：利用溢流坝下游反弧段的鼻坎,将下泄高速水流挑射抛向空中,抛射水流在掺入大量空气时消耗部分能量,而后落到距坝较远的下游河床水垫中产生强烈的漩滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深,大量能量消耗在水流漩滚的摩擦之中,冲坑也逐渐趋于稳定。该消能方式优点：简单、经济、工期短；缺点：尾水活动比较大，雾化大，影响电站工作。鼻坎挑流消能一般适用于基岩比较坚固的中、高溢流重力坝。第十四页，共十九页，编辑于2023年，星期四（1）鼻坎挑流消能设计包括：选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程，挑射角度、反弧半径、鼻坎构造和尺寸、计算挑射距离和最大冲坑深度。挑流形成的冲坑应保证不影响坝体及其它建筑物的安全。(2）常用的挑流鼻坎型式连续式、差动式、窄缝式和扭曲式等第十五页，共十九页，编辑于2023年，星期四连续式鼻坎优点：构造简单，易于施工，射程远，水流平顺，很少产生空蚀，水流雾化较轻。缺点：掺气作用较差。适用于尾水较深，基岩较为均一、坚硬及溢流前沿较长的泄水建筑物。鼻坎高程：一般高出下游最高水位1~2m，现有低鼻坎挑流低于下游最高水位，如浸窝。鼻坎挑射角一般θ=20～35°，深水河θ=15~20°。(在45°以内，角度愈大，挑射距离愈远，但入水角度也大，冲刷坑也愈深)，R过小时，水流转向不平顺；过大时，鼻坎向下游延伸太长，增大工程量。差动式挑流鼻坎

优点：设置高低坎，射流挑离鼻坎时上下分散，加剧了挑射水舌在空气中的掺气和碰撞，，加大空中耗能，减小入水的单位面积上的能量，下游波动也小些，可提高消能效果，减小冲刷坑深度。型式：矩形和梯形齿坎；缺点：但冲刷坑最深点距坝底较近，鼻坎上流态复杂，特别在高速水流作用下易于空蚀。矩形侧壁易产生较大负压；梯形施工复杂。第十六页，共十九页，编辑于2023年，星期四4、面流式消能适用于中小型工程，水头低，下游水深大且变幅小。消能特点:利用鼻坎将主流挑至水面，在鼻坎附近表面主流与河床之间形成逆向旋滚。使高速水流与河床隔开，避免对坝趾附近河床的冲刷，主流在水面逐渐扩散消能，反向旋滚也可消除一部分能量。

优点:面流消能不需设护坦和其他加固措施缺点:高速水流在表面、伴有强烈的波浪、绵延数里，影响电站运行及下游通航，易冲刷两岸第十七页，共十九页，编辑于2023年，星期四5、消力戽适用：尾水深、变幅小、无航运要求，下游河岸有一定抗冲能力。特点：消力戽是以模型试验为基础研究成功的一种消能的方式,它是利用一个较大的反弧半径和挑角形成的戽斗、在一定尾水深度的作用下，使从溢流坝下游的高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，并使出戽的高速水股在底部及尾水中均产生旋滚，以达到较好的消能效果。30年首先在美国大苦力坝中采用，我国安康采用。优点：工程量较消力池小，冲刷坑比挑流式浅，不存在雾化问题；缺点：下游水面波动大，易冲刷岸坡，不利航运，戽面磨损率高，增大了维修费用。第十八页，共十九页，编辑于2023年，星期四6、下游折冲水流及其防止发生原因：开启部分泄水孔，下游水流不能迅速在